Nachrichten-Archiv 2012

Nach über 50 Jahren wurden die traditionsreichen Experimente mit beschleunigten Ionenstrahlen am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg abgeschlossen. Der zuletzt bevorzugt benutzte Testspeicherring TSR und die verschiedenen Teilchen-Beschleuniger zur Erzeugung unterschiedlichster Ionenstrahlen wurden zum Jahresende abgeschaltet, um die neuartigen Experimente am ultrakalten CSR-Speicherring vorbereiten zu können.

Der TSR war der erste Speicherring für hochenergetische Schwerionen, an dem durch Elektronen- und Laserkühlung vorher hinsichtlich Strahl- und Energieschärfe unerreichbare experimentelle Möglichkeiten geschaffen werden konnten. Der neue CSR wird diese Tradition fortsetzen, indem er extreme Weltraumbedingungen für Experimente mit niederenergetischen, geladenen Atomen und Molekülen beliebiger Masse bereitstellen wird.

In einer kleinen Zeremonie wurden am 17.12.2012 der 45 Jahre erfolgreich betriebene 12 MV-Tandem-Beschleuniger (Foto) und sein Hochfrequenz-Nachbeschleuniger unter Beteiligung vieler ehemaliger und aktiver Mitarbeiter stillgelegt.

Der TSR wird voraussichtlich in Genf am CERN  für Experimente mit radioaktiven Ionen der HIE-ISOLDE  eine neue Verwendung finden.

In den letzten Jahren gab es zahlreiche neue Entwicklungen bei fast allen Aspekten, die mit dem doppelten Betazerfall, einem extrem seltenen Kernzerfall, zusammenhängen. Diese spannenden Entwicklungen gaben den Anstoß zur der Idee, im "Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics" das Schwerpunktthema "doppelter Betazerfall" zu behandeln. Dieses Special Issue ist jetzt erschienen, weitere Informationen erhalten Sie hier … >

Vor allem die Beobachtung von neutrinolosen doppelten Beta-Transformationen wäre von enormer Bedeutung für die Neutrinophysik. Sie würde nachweisen, dass das Neutrino ein Majorana-Teilchen ist und die Erhaltung der totalen Leptonenzahl verletzt wird. Der neutrinolose Modus des doppelten Betazerfalls ist zwar der Prozess mit der größten Wahrscheinlichkeit, er konnte jedoch bisher trotz anhaltender experimenteller Versuche noch nicht nachgewiesen werden.
Im erschienenen Special Issue berichten unser Gruppenmitglied S. A. Eliseev et al. über die Fortschritte bei der Suche nach dem neutrinolosen doppelten Elektroneneinfang. Diese Suche ist eine gute Alternative zu den Experimenten zum neutrinolosen doppelten Betazerfall. Sie kann dabei helfen, wichtige Aspekte der Neutrinophysik, wie die Neutrinotypen, die Nichterhaltung der totalen Leptonenladung und die Größe der effektiven Majorana-Neutrinomasse, aufzuklären.
Die jüngeren Fortschritte in der hochpräzisen Penningfallen-Massenspektrometrie ermöglichen die Messung der Q-Werte von potentiell resonant verstärkten Übergängen mit einer Genauigkeit von einigen 100 eV. Es wurden bereits die Massendifferenzen für 14 Nuklidpaare gemessen, die mit dem doppelten Elektroneneinfang verbunden sind. Nach heutigem Stand können zwei Übergänge interessant für die Suche nach dem neutrinolosen doppelten Elektroneneinfang sein: ¹⁵²Gd -> ¹⁵²Dy und ¹⁵⁶Dy -> ¹⁵⁶Gd

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Unser Abteilungsmitglied Dr. Pauline Ascher hat ein zweijähriges Humboldt-Forschungsstipendium  für Postdoktoranden erhalten (Beginn: 1. Oktober 2012). Während dieses Forschungsstipendiums wird im Rahmen des PIPERADE-Projekts  eine neue Penningfalle am MPIK Heidelberg aufgebaut werden. Dieses Projekt beinhaltet die Entwicklung eines neuen Setups zur Reinigung des Strahls an der Zukunftsanlage DESIR, dem Niedrigenergiezweig des Zukunftsprojekts SPIRAL2  (Ganil, Caen). Einige Messungen werden zuerst im FT-ICR-Labor (MPIK) durchgeführt werden, um eine effiziente Reinigungsmethode für die exotischen Strahlen zu finden, die DESIR zugeführt werden.
Pauline Ascher promovierte 2011 am CENBG  in Bordeaux über "Study of the two-proton radioactivity of ⁵⁴Zn with a Time Projection Chamber". Wir gratulieren ihr sehr herzlich zu ihrem Humboldt-Forschungsstipendium.

Das fundamentale Konzept der Isospin-Symmetrie erlaubt uns die Klassifizierung von Zuständen durch die Quantenzahlen T und T_z, zusätzlich zu Eigenschaften wie Spin J und Parität π. Zustände in isobaren Kernen mit demselben T und J^π, die sehr ähnliche Struktur und Eigenschaften besitzen, können als Mitglieder eines Isobarenmultipletts betrachtet werden. Die Massen der Mitglieder eines Isobarenmultipletts folgen der Massengleichung für Isobarenmultipletts (IMME). Um die Isospin-Symmetrie zu erfüllen, muss diese Gleichung quadratisch in der Isospinprojektion T_z sein. In den letzten Jahren wurden durch die Gewinnung sehr genauer Massenwerte Präzisionstests von IMME möglich.

In einem soeben in Physical Review Letters erschienenen Artikel berichten Y. H. Zhang et al. über die neuen Massenmessungen, die am HIRFL-CSR-Beschleunigerkomplex  (Bilder ) am Institute of Modern Physics in Lanzhou, China durchgeführt wurden. Die Massen der gespeicherten Ionen wurden mittels Isochroner Massenspektrometrie (IMS) mit einer Genauigkeit von 20–40 keV gemessen. Die präzisen Massen der Kerne ⁴¹Ti, ⁴⁵Cr, ⁴⁹Fe und ⁵³Ni mit T_z = -3/2 ermöglichten den ersten experimentellen Test von IMME in der fp-Schale. Dabei wurde das Versagen der allgemein akzeptierten quadratischen Form von IMME für das A = 53 (T = 3/2) Quartett festgestellt. Dies kann weder durch die bereits existierenden noch durch neue theoretische Berechnungen zur Isospin-Mischung erklärt werden. Falls dieses Versagen der quadratischen Form von IMME durch verbesserte experimentelle Daten bestätigt werden kann, sollten die möglichen Ursachen, beispielsweise verstärkte Effekte der Isospin-Mischung und/oder ladungsabhängige Kernkräfte in der fp-Schale, untersucht werden.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

In einem internationalen Team von Wissenschaftlern hat unsere Abteilung an den ersten direkten Messungen der Stärke von Schaleneffekten in Atomkernen sehr schwerer Elemente mitgewirkt. Die Ergebnisse der Forschergruppe wurden soeben im "Science Express"  des renommierten Wissenschaftsmagazins Science veröffentlicht. Sie liefern Informationen über die Kernstruktur superschwerer Elemente und dienen dazu, die Vorhersagen über die "Insel der Stabilität" zu verbessern. So nennen Wissenschaftler ein Gebiet von superschweren Elementen in der Landkarte der Atomkerne, die nicht in kurzer Zeit zerfallen, sondern außerordentlich stabil und damit langlebig sind. Wo sich diese Insel genau befindet, ist bislang nicht bekannt. Die jetzigen Messungen am GSI  Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt erfolgten an den Elementen Nobelium und Lawrencium mit der Ionenfallenanlage SHIPTRAP .

Weitere Informationen finden Sie im Artikel (Science 7 September 2012) ... >

Lesen Sie auch folgende Pressemitteilungen zu den erfolgreichen Messungen:

• Max-Planck-Gesellschaft 
• Max-Planck-Institut für Kernphysik 
• Informationsdienst Wissenschaft 
• GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 
• Johannes Gutenberg-Universität Mainz 
• Universität Greifswald 
• Ludwig-Maximilians-Universität München 
• Chemistry World 
• ScienceDaily 
• Phys.Org 
• Ars Technica 
• Iconocast News 
• I Hate Paypal 

Im "Physik Journal" ist soeben ein Übersichtsartikel von Klaus Blaum und Michael Wiescher zum 100. Geburtstag von Carl Friedrich von Weizsäcker (1912 – 2007) erschienen. Die beiden Autoren würdigen und erläutern zwei bedeutende Beiträge C. F. v. Weizsäckers zur Physik und frühen Kosmologie: die Weizsäckersche Massenformel (1935) und die "Aufbauhypothese" zur Entstehung der Elemente (1937).
Beide Erkenntnisse haben bleibende Bedeutung für die Kernphysik sowie die Kernastrophysik. Die von Weizsäckersche Massenformel, erweitert um mikroskopische Korrekturen, ist auch heute noch eine gute Näherung für inzwischen über 3000 vermessene Nuklide. Dies wird durch Präzisionsmassenmessungen an kurzlebigen Nukliden mittels moderner Penningfallen, ein Forschungsschwerpunkt von Klaus Blaum, bestätigt. Unser heutiges Verständnis der Elementsynthese in Sternen entspricht noch in wesentlichen Punkten der Aufbauhypothese. Der Theoretiker Hans Bethe beschrieb den darin angenommenen CNO-Zyklus (für C:Kohlenstoff, N:Stickstoff, O:Sauerstoff; auch Bethe-Weizsäcker-Zyklus), bestehend aus mehreren Fusionsreaktionen, durch die in Sternen Wasserstoff in Helium umgewandelt wird, quantitativ.

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Soeben wurde in Applied Physics B  eine Sonderausgabe zum Thema Ionenfallen veröffentlicht. Unsere Gruppe hat drei Artikel über die jüngsten Fortschritte in Penningfallen-Design und -Forschung beigetragen:

J. Repp et al. berichten über das neuartige Fünf-Penningfallen Massenspektrometer PENTATRAP, das am Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) entwickelt wird. Im Artikel wird die Motivation für das neue Massenspektrometer erklärt, sein experimenteller Aufbau präsentiert sowie der aktuelle Status beschrieben. Das PENTATRAP Projekt hat zum Ziel, ultrahochpräzise Masseverhältnis-Messungen an hochgeladenen, stabilen und langlebigen Ionen bis hin zum Uran durchzuführen.

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C. Roux et al. präsentieren das Design des neuartigen Fünf-Penningfallen-Turms für das Massenspektrometer PENTATRAP. Es konnte ein analytischer Ausdruck für das elektrostatische Potential im Fallenturm abgeleitet werden. Damit wurden Standardeigenschaften von Penningfallen wie die Kompensation von Anharmonizitäten und eine orthogonale Geometrie der Fallenelektroden berechnet. Ferner wurden für das Fallendesign systematische Effekte für hochgeladene Ionen im Fallenturm berücksichtigt und ein Limit für die resultierende Fallengeometrie aufgrund von verbleibenden anharmonischen Verschiebungen bei großen Amplituden abgeschätzt.

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M. Heck et al. beschreiben die experimentellen und theoretischen Untersuchungen der Wechselwirkung von gespeicherten Ionen in einer Penningfalle mit Ein- und Zweipuls (Ramsey) Quadrupol-Anregungsfeldern. Die Wechselwirkung der Ionen mit den Anregungsfeldern wurde mittels Fourier Transform-Ionen Zyklotron Resonanz (FT-ICR) Nachweistechnik untersucht. Die theoretische Beschreibung dieser Wechselwirkung wurde durch Verwendung eines quasi-klassischen kohärenten Zustands gewonnen, die Umwandlung der radialen Bewegungsmoden wird hingegen in einem quantenmechanischen Kontext interpretiert.

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Geladene Teilchen können durch eine Überlagerung von statischen magnetischen und elektrischen Feldern in einem Penningfallensystem gespeichert werden. Ein einzelnes in einer Penningfalle gefangenes Teilchen eignet sich sehr gut für hochpräzise Messungen von fundamentalen Teilcheneigenschaften und somit zum Test von physikalischen Theorien. Der Vergleich der magnetischen Momente des Protons und des Antiprotons liefert beispielsweise einen sehr strengen Test für die Ladungs-, Paritäts- und Zeit-Symmetrie (CPT-Symmetrie) im Baryonen-Sektor.

In einem soeben im New Journal of Physics erschienenen Artikel präsentieren C. C. Rodegheri et al. das kryogene Doppel-Penningfallensystem, welches das Herzstück des Experiments zur direkten Bestimmung des magnetischen Moments eines einzelnen Protons darstellt. Der Artikel gibt einen kompletten Überblick über Fallendesign und -charakterisierung sowie die Methode zur Optimierung der Falle. In einem ersten Versuch wurde der g-Faktor in einem Fallenabschnitt mit einer magnetischen Flasche von B₂ = 300mTmm^-2 bestimmt. In diesem Abschnitt konnten erstmals Spin-Quantensprünge eines einzelnen Protons direkt beobachtet werden. Durch weitere Verbesserungen gelang es, den g-Faktor von 5.585 696(50) mit einer relativen Unsicherheit von 8.9 ·10^-6 zu bestimmen. Dieser Wert stimmt exzellent mit früheren Messungen und Vorhersagen überein und ist ein Meilenstein auf dem Weg zur direkten Bestimmung des magnetischen Moments des Protons mit extrem hoher Präzision. Damit nähern wir uns der Möglichkeit, die Materie-Antimaterie-Symmetrie im Baryonen-Sektor mit sehr hoher Genauigkeit zu überprüfen, da die in diesem Artikel vorgestellte Messmethode auch zur Bestimmung des g-Faktors des Antiprotons eingesetzt werden kann.
Ziel ist es, für den g-Faktor eines einzelnen (Anti)Protons eine relative Unsicherheit von 10^-9 oder besser zu erreichen. Hierzu werden in künftigen Experimenten die Spin-Quantensprünge in einem Fallenabschnitt mit homogenem Magnetfeld induziert werden.

Der Artikel wurde als " IOP Select  " ausgewählt. Weitere Informationen ... >

In einem soeben in "The European Physical Journal - Special Topics" erschienenen Artikel stellen M. Grieser et al. den Technical Design Report des Schwerionenspeicherrings TSR vor, der an der HIE-ISOLDE  Anlage in CERN, Genf, aufgebaut werden soll. Eine solche Anlage schafft weltweit einzigartige Bedingungen für Experimente mit gespeicherten Sekundärstrahlen.
Der bereits existierende TSR, der zurzeit am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg in Betrieb ist, ist sehr gut geeignet und kann für die geplanten Anwendungen eingesetzt werden. Im Technical Design Report werden die physikalischen Aspekte und die technischen Details des existierenden Speicherrings und des Strahls erörtert sowie die Infrastrukturanforderungen an HIE-ISOLDE diskutiert.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Einer Nachwuchsgruppe um Prof. Dr. Wilfried Nörtershäuser ist es in Zusammenarbeit mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und von der KU Leuven erstmals gelungen, die Größe der Ladungsverteilung eines Atomkerns des sehr exotischen Isotops Beryllium-12 zu vermessen. Unerwartet zeigte sich für die Forscher, dass dieser sog. Ladungsradius gegenüber dem Isotop Beryllium-11 ansteigt, während der Radius der Materieverteilung signifikant abnimmt. Dies widerspricht den Annahmen der Kernphysik über den Aufbau von Atomkernen. Demnach wäre nämlich auch eine Verringerung des Kernladungsradius zu erwarten gewesen.

Die Messungen des Ladungsradius von ¹²Be sind in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen ... >

Lesen Sie bitte die ausführliche Pressemitteilung der Johannes Gutenberg-Universität Mainz 

Unser ehemaliger Doktorand und jetziger Kollaborateur hat ein stark umkämpftes Forschungsstipendium erhalten, eine "RIKEN Initiative Research Unit" . Im Rahmen dieser Förderung wird er ein Experiment zur hochpräzisen Messung des magnetischen Moments des Antiprotons aufbauen. Wir freuen uns sehr, dass Stefan diese Förderung für die Fortsetzung seiner Forschungsarbeit zu hochpräzisen Messungen des magnetischen Moments des (Anti-)Protons erhalten hat.

Durch experimentell beobachtete Neutrino-Oszillationen konnte gezeigt werden, dass Neutrinos eine endliche Masse besitzen. Die Untersuchung des seltenen doppelten β-Zerfalls ist der erfolgversprechendste Weg, die Natur des Neutrinos zu erkunden und den Wert der Neutrinomasse einzugrenzen.

In einem soeben in Physical Review Letters erschienenen Artikel berichten D. Fink et al. über den ersten direkten Massevergleich zwischen ¹¹⁰Pd und ¹¹⁰Cd, dem Tochternuklid seines doppelten β-Zerfalls. Der neu gemessene Q-Wert von 2017.85(64) keV des doppelten β-Zerfalls von ¹¹⁰Pd ist um fast 14 keV gegenüber dem Literaturwert verschoben und besitzt eine um den Faktor 17 kleinere Unsicherheit als der AME2003-Wert. Des Weiteren wurden die absoluten Massen von ¹¹⁰Pd und ¹¹⁰Cd mit hoher Präzision bestimmt, wodurch ihre Unsicherheit deutlich reduziert werden konnte. Alle Messungen wurden mit dem ISOLTRAP  Penningfallen-Massenspektrometer an ISOLDE/CERN  durchgeführt.
Das neu berechnete Kernmatrixelement für ¹¹⁰Pd ist relativ groß im Vergleich zu den meisten anderen geeigneten Nukliden mit doppeltem β-Zerfall. Zusammen mit seiner großen Häufigkeit in der Natur, wird ¹¹⁰Pd hierdurch zu einem sehr vielversprechenden Kandidat für Untersuchungen des doppelten β-Zerfalls und die Suche nach der Neutrinomasse.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Lesen Sie bitte die ausführliche Mitteilung des MPIK 

Die Ladungsradien der Magnesiumisotope, die von der COLLAPS Kollaboration gemessen wurden, sind in einem Physical Review Letters Artikel erschienen. Die Radien entlang dieser Isotopenkette, die am neutronenarmen Ende Kerne mit einer Clusterstruktur aufweist und auf der neutronenreichen Seite in die sogenannte "Insel der Inversion" (Island of Inversion) übergeht, sind von großem Interesse. Sie konnten nur studiert werden, weil es erstmals gelang das optische Pumpen mit einem Laser, gefolgt von einem einzelteilchensensitiven Beta-Asymmetrie Nachweis, für die Messung der Isotopieverschiebung einzusetzen. Dafür war ein detailliertes und quantitatives Verständnis des Pumpprozesses und des daraus hervorgehenden Linienprofils vonnöten, das über viele Jahre an COLLAPS  erarbeitet wurde.
Der Artikel ist online verfügbar … >

In kalten interstellaren Gaswolken kommen Blausäure, HCN, und die wesentlich energiereichere Isoblausäure, HNC, überraschenderweise in nahezu gleichen Mengen vor.
In einem kürzlich bei Astrophysical Journal Letters online erschienenen Artikel berichten Mario B. Mendes et al., wie dies zu erklären ist. Für die Aufklärung wurden in der Gruppe "Molekulare Quantendynamik und gespeicherte Ionenstrahlen" um Andreas Wolf Experimente im Heidelberger Ionenspeicherring durchgeführt.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Lesen Sie bitte die ausführliche Mitteilung des MPIK 

Auch nach 35 Jahren Forschungsaktivität und trotz enormer Fortschritte bei Computern und experimentellen Methoden, blieb das Spektrum des kleinsten dreiatomigen Molekülsystems, des H₃⁺ Ions, bei höheren Anregungen ein Rätsel, das weder experimentell komplett erfasst noch theoretisch vollständig erklärt werden konnte.

In einem soeben in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten M. Pavanello et al. von neuen Entwicklungen, durch die die experimentellen und theoretischen Schwierigkeiten überwunden wurden, die jenseits der Linearitätsgrenze auftreten, so dass das schwer erfassbare hochangeregte H₃⁺ Spektrum weitgehend sichtbar gemacht werden konnte.
Auf experimenteller Seite wurde am the MPI für Kernphysik die Empfindlichkeit der Ionenfallen-Spektroskopie von H₃⁺ gesteigert, wodurch jetzt die Messung der Frequenzen von Rotations-Vibrations-Übergängen bis weit in den sichtbaren Spektralbereich ausgedehnt wurde.
Die neuen, präzise gemessenen Obertonfrequenzen gaben einer internationalen Gruppe von Molekulartheoretikern entscheidende Hinweise darauf, wie sie ihre Ab-initio-Quantenberechnungen dieses fundamentalen dreiatomigen Moleküls dramatisch verbessern können. Sie erhielten hierdurch ein Modell, das die neuen Beobachtungen exakt reproduziert und in der Lage ist, das gesamte Rotations-Vibrations-Spektrum von H₃⁺ zu beschreiben.
Die im Artikel dargestellte Arbeit liefert die zurzeit genaueste gesamte H₃⁺ Grundzustands–Potentialenergiefläche. Zusammen mit einem einfachen Modell für nicht-adiabatische Effekte wurde jetzt die Vorhersage der Rotations-Vibrations-Übergänge von H₃⁺ mit bislang unerreichter Genauigkeit möglich.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Lesen Sie auch die zugehörige Pressemitteilung des MPIK  und des IDW